Günlük hayatta kullandığımız pillerin iç yapısının, lisede yapmış olduğunuz limon suyu ile çalışan oyuncak arabalarınki kadar basit olduğunu düşünebilirsiniz ancak elde etmesi ucuz malzemelerden ticari açıdan üretimi sürdürülebilir bir pilin geliştirilmesi çoğu araştırmacı için oldukça zorlayıcı süreçler gerektirir. Bu kulvardaki en son gelişme Stanford Üniversitesinden geldi. Elektrolit olarak idrarda bol miktarda bulunan üre adı verilen kimyasal bir malzeme kullanan alüminyum-iyon tabanlı bir pil geliştirmeyi başardıklarını duyurdular.
Aslında bu, çiş gücünü kullanan ilk pil değil. Geçmişte Bath Üniversitesindeki araştırmacı bir grup, mikrobik yakıt hücresi * yöntemiyle pisuvarlara yerleştirdikleri bir düzenek sayesinde insan idrarından direkt elektrik üretmeyi başarmışlardı.
Pili geliştiren ekibin esas hedefi, güneş ve rüzgar gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen elektriği depolaması için birbirine kolayca bağlanabilecek, kapasitesi ve gücü ayarlanabilecek bir akü düzeni elde etmekti. Bunu yapmak için 2015 yılında yine aynı üniversitede görev yapan Hongjie Dai ve ekibinin bu alanda bir ilke imza atarak tasarlamış olduğu alüminyum-ion tabanlı pilin yapısını baz aldılar ve üzerine geliştirme yaptılar. Bu orijinal versiyon, ana elektrolit bileşeni olarak EMIC (1-etil-3-metilimidazolyum klorür) olarak bilinen ve alüminyum klorür ile karıştırıldığında sıvı tuz veya iyonik sıvı hale getiren bir kimyasal karışım kullanıyor.
Ancak EMIC pahalı bir kimyasal bileşik olduğu için bu durum araştırmacıları daha ucuz bir alternatif aramaya itti. Bu yeni pil ise eskisine çok benziyor, tek farkı EMIC yerine üre kullanması. Bu da yeni pilin diğerine göre 100 kat daha ucuz olmasını sağlıyor. Sonuçta üre maddesi tarımda kullanılan gübrelerde bolca kullanılan, ticari bakımdan üretmesi kolay ve düşük maliyetli olduğunu ispatlamış bir madde.
Bu pili dünyada bulabileceğiniz en ucuz ve en bol malzemeden ürettik, ve aslında gayet iyi bir performansı var. Bir lityum-iyon pil ile aynı enerji kapasitesine sahip değil (enerji yoğunluğu yarı yarıya daha az), ancak şarj-deşarj oranı daha yüksek, yanmaz, 45 dakika içinde şarj edilmekte ve çok daha ucuz. Hongjie Dai
Stanford'da kimya alanında doktora adayı olan ve piller hakkında yazarlık yapan Michael Angell;
Bir şebekeyi beslemesi için çok büyük bir pil ağı kurmanız gerekir. Bu kadar pili ucuz bir şekilde üretebilmek için de bol ve ucuz bir malzemeye ihtiyaç vardır. İşte üre bütün bunları sağlayan çok iyi bir ürün. Ayrıca, pilin Coulombic verimliliği yüzde 99,7 gibi çok yüksek bir değerde. Bu da döngü ömrünün çok uzun olduğunu gösteriyor.
Coulombic verimlilik, bataryadan geri alabildiğiniz şarj miktarının bir ölçüsüdür. Hesaplamak için alınan şarj miktarı koyulan şarj miktarına bölünerek elde edilir. Bu değer ne kadar yüksekse akünün kimyasal depolama yeteneği o kadar iyi demektir. Depolanan enerjinin çok az bir kısmı kaybolurken büyük kısmını geri alabilirsiniz anlamına gelir. Bu durum, enerjiye hemen ihtiyaç olmayan uzun bekleme durumları söz konusu olduğunda (mesela gece saatleri) büyük bir avantaj sağlıyor. Oysa bir pilin depolama verimliliği düşük olursa deyim yerindeyse durduğu yerde kendi kendine boşalacaktır.
Şebeke beslemesi yapıp şarj ve deşarj işlemleri yapacak bir pilin ticari anlamda tercih edilebilir olması için en az 10 yıl kullanılabilmesi gerekiyor. İdrar pilleri laboratuvar ortamında 1500 doldur-boşalt yapabiliyorlar ancak araştırmacılar, pil ömrünü kimyasal sürece yapacakları bazı ufak dokunuşlarla arttırmaya çalışıyor. Pilin şimdilik en çekici özelliği düşük maliyetli olması.
Yeterince çok miktarda üretseniz bile EMIC maliyetleri kilogram başına 50 Amerikan doları tutuyor. Ancak üreyi büyük miktarda ürettiğinizde kilogram maliyeti yarım dolar olmakta. Bu da demektir ki bir pil üretirken en önemli maliyet kalemini elektrolit malzemesi tutuyor. Endüstriyel ölçekte üretildikleri zaman alüminyum klorür ve diğer elektrolit malzemelerin maliyeti ne kadar tutuyor elimde rakamsal bir bilgi yok ancak bahsettiğim ana maliyet kaleminin yanında bahsetmeye değmeyecek kadar küçük bir maliyete sahip olduklarını biliyorum. Michael Angell
Alüminyum ve grafit gibi elektrolit malzemelerin oldukça ucuz malzemeler olduğu biliniyor. Bunlar bir pilin genel maliyeti yanında ihmal edilebilecek kadar ucuzlar.
Ekibin bulguları Ulusal Bilimler Akademisinin tutanaklarında yayınlandı.
Kaynak: Stanford Üniversitesi
#bilim #çevre #enerji #pil #kimya #teknoloji